桁架模型方案资料.docx
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桁架模型方案资料
1、设计说明
根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性，荷载形式,结构尺寸等要求出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的小木条、白乳胶精心设计制作了“步步为赢”两榀静力桁架结构模型，通过求解器计算，内力和稳定性分析，比较和优化多种方案等，最终确定最优方案。
1、方案构思
桁架是平面结构中受力最合理的形式之一。
理想桁架的结构特点：
（1）所有点都为铰结点
（2）所有的外力在结点上（3）各杆都是直且通过铰点假定设计荷载为F。
根据内力情况结论：
三角形桁架：
内力分布不均匀，弦杆的轴力由两端向中间递减，腹杆轴力则由两端向中间递增，其两端节点处弦杆的轴力最大，而夹角又很小，制作困难。
平行弦桁架：
内力分布不均匀，弦杆的轴力由两端向中间递增，腹杆轴力则由两端向中间递减，因此为节省材料，各节点间的杆件应采用与其轴力相应的不同截面，但这样会增加各节点拼接困难。
抛物线型桁架：
内力分布比较均匀，上下弦杆的轴力几乎相等，腹杆轴力为零，受力性能好，但节点构造复杂，制作复杂。
梯形桁架：
内力介于三角形桁架和平行弦桁架之间，弦杆的轴力变化不大，腹杆轴力由两端向中间递减，而且构造简单，制作方便。
综合考虑，我组选择梯形桁架结构。
2、力学及材料性能分析
构件力学性能分析：
木条作为模型材料，其力学性能特点是顺纹抗压性能良好，抗拉裂能力较差，抗剪能力差，抗弯一般。
将木条成层粘贴可提高其抗拉压性能。
但受长细比的限制，多为压杆失稳状态的受力破坏，或为节点局部破坏。
此次比赛选用材料为红樟松，其力学性质为：
抗弯强度：
fm=13N/mm2
顺纹抗压强度：
fc=10N/mm2
顺纹抗拉强度：
ft=8N/mm2
顺纹抗剪强度：
fv=1.4N/mm2
弹性模量：
E=9000N/mm2
横纹承压强度：
全表面：
1.9N/mm2
局部表面积全面：
2.9N/mm2
由材料性能分析知，材料的抗压强度明显高于抗拉强度，因此设计中应多采用压杆。
上弦皆为压杆，下弦为拉杆，为保障其强度，在其上设置加强杆。
由于杆件的节点较为复杂，难以确定腹杆的具体受力性质，所以在设计时予以考虑，采用强度较大的杆件，以保证其承载能力。
同时在两榀桁架键连接处设置支撑，保证桁架的整体稳定性。
考虑荷重比的因素，对于结构的选择不一定取承载力最大的结构。
复选截面时要参照结构的内力分布。
但是，顺木材受拉有以下缺点：
（1）木材纹受拉的应力—应变曲线接近于直线，因此木材受拉破坏前并无明显的塑性变形阶段，表现为脆性破坏。
木材顺纹受压破坏时，纤维失稳而屈曲。
木材顺纹受压和受拉相比，受压时木材具有较好的塑性。
（2）由于木材顺纹受压时的纤维失稳屈曲性质，能使局部的应力集中逐渐趋于缓和，所以在受压构件中通常可以不考虑应力集中的不利影响。
（3）木节（如右图）对受拉构件承载能力的影响很大，木节与周围木质之间的联系很差，削弱了截面，并使截面偏心受力。
而木节对受压强度的影响也远小于对受拉强度的影响。
综上所述，木构件的受压要比受拉工作可靠的多。
斜腹杆受拉：
斜腹杆受压：
通过上述两图比较得：
当斜腹杆方向向外时，为受压状态,对承载有利，因此我组选用斜腹杆向外的桁架结构。
结合前人的经验，桁架高度越高，两加载点之间距离越大的结构最有利。
根据大赛要求，我组最终选用每榀净跨1000mm，高度是200mm，两加载点间距离是400mm的结构。
2、模型方案选择
方案一
内力计算
单位：
力（默认）,力矩（默认）
杆端内力值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩
-----------------------------------------------------------------------------------------------
10.750000000.000000000.000000000.750000000.000000000.00000000
20.75000000-0.00000000-0.000000000.75000000-0.00000000-0.00000000
31.50000000-0.000000000.000000001.50000000-0.000000000.00000000
41.500000000.00000000-0.000000001.500000000.00000000-0.00000000
50.750000000.00000000-0.000000000.750000000.000000000.00000000
60.75000000-0.000000000.000000000.75000000-0.00000000-0.00000000
7-1.25000000-0.000000000.00000000-1.25000000-0.00000000-0.00000000
8-1.500000000.000000000.00000000-1.500000000.000000000.00000000
9-1.500000000.00000000-0.00000000-1.500000000.000000000.00000000
10-1.500000000.00000000-0.00000000-1.500000000.000000000.00000000
11-1.50000000-0.000000000.00000000-1.50000000-0.00000000-0.00000000
12-1.25000000-0.000000000.00000000-1.25000000-0.00000000-0.00000000
130.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000
141.25000000-0.000000000.000000001.25000000-0.00000000-0.00000000
15-1.000000000.00000000-0.00000000-1.000000000.000000000.00000000
160.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000
170.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000
18-0.000000000.00000000-0.00000000-0.000000000.000000000.00000000
19-1.000000000.00000000-0.00000000-1.000000000.000000000.00000000
201.250000000.00000000-0.000000001.250000000.000000000.00000000
210.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000
-----------------------------------------------------------------------------------------------
轴力图
位移计算
单位：
位移（默认）,转角（默认）
杆端位移值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角
-----------------------------------------------------------------------------------------------
10.000000000.00000000-0.004363430.00006250-0.00065451-0.00436343
20.00006250-0.00065451-0.003738430.00012500-0.00121528-0.00373843
30.00012500-0.00121528-0.000833330.00029167-0.00138194-0.00083333
40.00029167-0.001381940.000833330.00045833-0.001215280.00083333
50.00045833-0.001215280.003738430.00052083-0.000654510.00373843
60.00052083-0.000654510.004363430.000583330.000000000.00436343
70.000000000.00000000-0.003437500.00058333-0.00065451-0.00343750
80.00058333-0.00065451-0.004479170.00045833-0.00132639-0.00447917
90.00045833-0.00132639-0.000277780.00029167-0.00138194-0.00027778
100.00029167-0.001381940.000277780.00012500-0.001326390.00027778
110.00012500-0.001326390.004479170.00000000-0.000654510.00447917
120.00000000-0.000654510.003437500.000583330.000000000.00343750
130.00058333-0.00065451-0.002604170.00006250-0.00065451-0.00260417
140.00058333-0.00065451-0.002812500.00012500-0.00121528-0.00281250
150.00012500-0.00121528-0.001666670.00045833-0.00132639-0.00166667
160.00012500-0.00121528-0.000833330.00029167-0.00138194-0.00083333
170.00029167-0.00138194-0.000000000.00029167-0.00138194-0.00000000
180.00029167-0.001381940.000833330.00045833-0.001215280.00083333
190.00045833-0.001215280.001666670.00012500-0.001326390.00166667
200.00045833-0.001215280.002812500.00000000-0.000654510.00281250
210.00000000-0.000654510.002604170.00052083-0.000654510.00260417
-----------------------------------------------------------------------------------------------
位移图
方案二
内力计算
单位：
力（默认）,力矩（默认）
杆端内力值（乘子=1）
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------
单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩
-----------------------------------------------------------------------------------------------
10.749162500.001116660.000000000.749162500.001116660.00016750
20.749162500.001116660.000167500.749162500.001116660.00033500
30.749789580.000000000.000104790.749789580.000000000.00010479
40.74916250-0.001116660.000335000.74916250-0.001116660.00016750
50.74916250-0.001116660.000167500.74916250-0.001116660.00000000
6-1.248604170.000000000.00000000-1.248604170.000000000.00000000
7-1.49832501-0.000000000.00000000-1.49832501-0.00000000-0.00000000
8-1.498325010.00000000-0.00000000-1.498325010.000000000.00000000
9-1.498325010.00000000-0.00000000-1.498325010.000000000.00000000
10-1.49832501-0.000000000.00000000-1.49832501-0.00000000-0.00000000
11-1.24860417-0.000000000.00000000-1.24860417-0.00000000-0.00000000
12-1.00000000-0.000000000.00000000-1.00000000-0.00000000-0.00000000
131.248604170.00000000-0.000000001.248604170.000000000.00000000
14-0.001773630.00000000-0.00000000-0.001773630.000000000.00000000
15-0.00177363-0.000000000.00000000-0.00177363-0.00000000-0.00000000
16-1.00000000-0.000000000.00000000-1.00000000-0.00000000-0.00000000
171.24860417-0.000000000.000000001.24860417-0.00000000-0.00000000
180.002508290.00000000-0.000000000.002508290.000000000.00000000
190.74978958-0.001254150.000020620.74978958-0.00125415-0.00023021
200.749789580.00125415-0.000020620.749789580.001254150.00023021
轴力图
剪力图
弯矩图
位移计算
单位：
位移（默认）,转角（默认）
杆端位移值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角
-----------------------------------------------------------------------------------------------
10.000000000.00000000-0.018988840.00024972-0.00268083-0.01563886
20.00024972-0.00268083-0.015638860.00049944-0.00435666-0.00558890
30.00049944-0.00435666-0.005588900.00116592-0.004356660.00558890
40.00116592-0.004356660.005588900.00141564-0.002680830.01563886
50.00141564-0.002680830.015638860.001665360.000000000.01898884
60.000000000.00000000-0.012071230.00199805-0.00236562-0.01207123
70.00199805-0.00236562-0.016236560.00149860-0.00480110-0.01623656
80.00149860-0.004801100.000548140.00083268-0.004691480.00054814
90.00083268-0.00469148-0.000548140.00016676-0.00480110-0.00054814
100.00016676-0.004801100.01623656-0.00033268-0.002365620.01623656
11-0.00033268-0.002365620.012071230.001665360.000000000.01207123
120.00049944-0.00435666-0.004995810.00149860-0.00480110-0.00499581
130.00049944-0.00435666-0.009574030.00199805-0.00236562-0.00957403
140.00049944-0.00435666-0.001670140.00083268-0.00469148-0.00167014
150.00083268-0.004691480.001670140.00116592-0.004356660.00167014
160.00116592-0.004356660.004995810.00016676-0.004801100.00499581
170.00116592-0.004356660.00957403-0.00033268-0.002365620.00957403
180.00083268-0.004691480.000000000.00083268-0.004692590.00000000
190.00083268-0.00469259-0.000000000.00049944-0.00435666-0.00558890
200.00083268-0.00469259-0.000000000.00116592-0.004356660.00558890
位移图
总结：
一、比较方案一与方案二：
1、方案二将下弦杆改为连续杆，使制作更加简单；
2、方案二将方案一中的杆13和杆21去掉，减轻了结构自重，由于杆13和杆21上的节点处不设加载点，所以这两个零杆所起作用不大，因此承受同样大小的力，方案二较好；
3、分析内力图可知，两个方案的内力大小相差不大，但方案二的位移较方案一大，所以考虑在两榀之间多加几道支撑，保证结构稳定性。
经比较后，我组考虑采用方案二。
2、截面选择
截面尺寸
杆件单元
4×5×10
1—1216—17
2×5×10
13,15
1×5×5
14
唐山学院土木工程系
结构（桁架）模型方案设计说明书
步步为赢组
专业：
土木工程
组长姓名：
胡雪芳4110408217
成员姓名：
赵丽4110408142
黄玲玲4110408232
指导教师：
马卫华
2014年4月24日
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